納米材料研發部開發納米氮化鋯ZrN可替代貴金屬催化劑
來源：《納米材料技術與應用》2019.10期
近期，納米材料研發部納米氮化物團隊制備出了一種納米氮化鋯（ZrN）顆粒YQ-NG3催化劑，其可以替代甚至超過Pt基催化劑作為堿性環境中氧還原反應（oxygenreduction reaction，ORR）催化劑。
催化劑材料在多數的電化學能源轉化裝置中都發揮著至關重要的作用，為高效的能量轉化保駕護航。大氣中無處不在的氧氣是一類常見的氧化劑，因此氧還原反應（oxygenreductionreaction，ORR）在能源設備中的應用極為廣泛，如燃料電池、金屬-空氣電池等。目前，最常用的ORR催化劑依舊是Pt基催化劑。然而，其昂貴的價格(US$28.3 g-1 as the 2018average price)與稀有性(37ppb in Earth’scrust)，以及在反應環境中的不穩定性，都促使相關領域的研究學者努力尋找更合適的非貴金屬類催化劑作為Pt基催化劑的替代品。其中，金屬-N/C類催化劑材料在近十幾年來得到廣泛研究，被認為是最有希望替代貴金屬的催化劑材料。但是這類相關材料的合成成本高、不穩定易失活及活性位點少的問題始終困擾著其實際應用。金屬氮化物作為一種常見的金屬間隙化合物，由于自身特殊的電子結構和類金屬性質，具有優異的電子傳導能力。其耐腐蝕性、熱穩定性與電化學穩定性都使得該類材料在電化學催化領域中具有極大的應用潛力。
實驗發現，合成后的納米氮化鋯ZrN納米顆粒（YQ-NG3）具有高的ORR性能，且具有與廣泛使用的Pt/C商業催化劑相當的活性。在0.1M的KOH溶液中，納米氮化鋯ZrN（YQ-NG3）和商用Pt/C具有相同的半波電勢（E1/2=0.80V），經過在1000個循環后，（YQ-NG3）ZrN（ΔE1/2=-3mV）顯示出比商用Pt/C催化劑（ΔE1/2=-39mV）更高的穩定性。此外，在鋅-空氣電池中，（YQ-NG3）納米氮化鋯ZrN顯示出比商用Pt/C催化劑更高的功率密度與穩定性。用（YQ-NG3）納米氮化鋯ZrN代替Pt可降低成本并促進電化學能源設備的使用，并且（YQ-NG3）納米氮化鋯ZrN在其它催化系統也具有潛在的應用。
